計算機發(fā)展及數(shù)字電子技術(shù)基本概念

計算機發(fā)展及數(shù)字

電子技術(shù)基本概念西安交通大學電氣工程學院寧改娣第1章1.1計算機的發(fā)展1.2微處理器、微控制器及嵌入式處理器1.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念1.4數(shù)字電子技術(shù)的重要性2024/5/261.1計算機的發(fā)展計算機是數(shù)字電路的代表，其發(fā)展基本由電子器件推動。真空電子管計算機——1946.2~1955.10ENIAC服役9年2024/5/261.1計算機的發(fā)展（續(xù)）晶體管計算機1960年，晶體管代替電子管的第二代計算機出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域、大學和政府部門的計算機。配備:打印機、磁帶、磁盤、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等。語言：出現(xiàn)COBOL和FORTRAN等高級語言，以單詞、語句和數(shù)學公式代替了含混晦澀的二進制機器碼。新的職業(yè)出現(xiàn)：程序員、計算機系統(tǒng)專家等由此誕生。2024/5/261.1計算機的發(fā)展（續(xù)）2024/5/26集成電路計算機1.1計算機的發(fā)展（續(xù)）第四代量子、光子、生物等未來計算機“電子”計算機從真空管、晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路，開關(guān)元件尺寸越做越小，然而由于量子效應(yīng)的存在，集成電路技術(shù)現(xiàn)在正逼近其極限（0.2nm的工藝）基本單元-量子比特（q-bit）——可代表多個數(shù)，大數(shù)因式分解ms級。目前計算機難以短期實現(xiàn)。光子計算機——光子比電子快，存儲量大，能量消耗小。生物計算機——即脫氧核糖核酸（DNA）分子計算機。蛋白質(zhì)分子比電子元件小很多；生物芯片具有并行處理能力（快10萬倍）；一旦故障可自我修復(fù)；具有生物活性，能夠與人體大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。2024/5/26CentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈CPU(ALU、Reg)Twobasicarchitectures:“VonNeumann“-Architecture“Harvard“–Architecture“VonNeumann”-Architecture:SharedmemoryspacebetweencodeanddataSharedmemorybussesbetweencodeanddata“Harvard”–Architecture:TwoindependentmemoryspacesforcodeanddataTwomemorybussystemsforcodeanddata?1.2微處理器、微控制器及嵌入式處理器1、Microprocessor(μP)或MicroprocessorUnit（MPU）微處理器:μP如Intel的CPU（Intel80x86）CPU存儲器（數(shù)據(jù)和指令）數(shù)據(jù)總線地址總線馮?諾依曼結(jié)構(gòu)CPU程序存儲器（或CACHE）數(shù)據(jù)存儲器DRAM數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線雙口RAM哈佛結(jié)構(gòu)（改進型）1、Microprocessor(μP)微處理器特點：

多采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)；普遍沒有DMA通道控制器、定時器等外設(shè)；普遍沒有通用存儲器及接口和IO接口，比如，微機原理學習的Intel8088/8086，需要244/245/373構(gòu)成BUS；Intel8087浮點運算協(xié)處理器，8255PPI、8253/8254Timer、8237DMA、中斷控制器8259、8250/8251串行通信接口等。普遍功耗較大，如Intel的CPU多在20～100W，PowerPC最小也要5～10W。1、Microprocessor(μP)微處理器構(gòu)成的典型系統(tǒng)多用于計算機，Example:YourDesktop——PCMicroComputer=Microprocessor(μP)+Memory+PeripheralsMicroprocessorCode-MemoryData-MemoryClockTimer/CounterAnalogueOutDigitalInAnalogueInDigitalInMemoryBusPeripheralBus比如，MCS-51單片機NothingmorethanaMicroComputerasasinglesiliconchip!GuaranteecostefficientandpowerfulsolutionsforembeddedcontrolapplicationsOver200independentfamiliesofμCBothμP–Architectures(“VonNeumann”and“Harvard”)areusedinsideMicrocontrollers多用于實時控制2、微控制器(Microcontroller，μC)或（Micro-controllerUnit，MCU）

DSPCoreSimilartoaMicroprocessor(μP),e.g.coreofacomputingsystemAdditionalHardwareUnitstospeedupcomputingofsophisticatedmathematicaloperations:AdditionalHardwareMultiplyUnit(s)AdditionaldatamemoryaddressesArithmeticUnit(s)AdditionalBusSystemsforparallelaccessAdditionalHardwareShifterforscalingand/ormultiply/divideby2nDSPSimilartoaMicrocontroller(μC)IncludeaDSPcore+Peripherals適合于快速數(shù)字處理DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核

以及DSP狹義上講，嵌入式處理器是一種處理器的IP核（Intellectual

Property

core）開發(fā)公司開發(fā)出處理器，本身不生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可主要產(chǎn)品有：ARM（AdvancedRISCMachines）公司的ARM、SiliconGraphics公司的MIPS、IBM和Motorola聯(lián)合開發(fā)的PowerPC。從廣義上講，MPU、MCU、DSP等都叫微處理器或嵌入式處理器。所有相關(guān)課程（微機原理、單片機、DSP、嵌入式系統(tǒng)）學習有類似性，基礎(chǔ)是數(shù)字電子技術(shù)。

3、嵌入式處理器1.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念目前為止的數(shù)字世界是0和1的世界物質(zhì)基礎(chǔ)決定了0、1世界——電子開關(guān)數(shù)字運算規(guī)則簡單——0、1二進制數(shù)適合邏輯運算——0、1與“真”和“假”對應(yīng)用二進制表示數(shù)據(jù)具有抗干擾能力強，可靠性高等優(yōu)點。2024/5/261.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念模擬信號和數(shù)字信號2024/5/26模擬信號：在時間上和數(shù)值上均是連續(xù)的。數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上均是離散的。tV(t)高電平低電平上升沿下降沿

有兩種邏輯體制：正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯0。

負邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯0。正邏輯與負邏輯數(shù)字信號是一種二值信號——高電平和低電平，可以由兩個數(shù)字來表示（比如，1和0）。如何表示呢？

邏輯0

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邏輯0

邏輯1

邏輯1

電源電壓為“強1”；0V為“強0”，實際為一區(qū)域2024/5/26模擬信號的二進制數(shù)表示2024/5/26要將一個模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，一般由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。比如，用8位ADC器件，只能由0~255共（28）個整數(shù)表示。第三個采樣點的模擬值接近5V——11111101。17模擬信號的優(yōu)點、缺點優(yōu)點：可以精確表示原信號由于不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進行盡可能逼近的描述模擬信號處理比數(shù)字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件（例如運算放大器等）實現(xiàn)，而數(shù)字信號處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號處理器。缺點：易受干擾，造成信號失真不易儲存、還原及控制保密性差。比如模擬通信，尤其是微波通信和有線通信，很容易被竊聽。只要收到模擬信號，就容易得到通信內(nèi)容P.42024/5/2618數(shù)字信號的優(yōu)點、缺點優(yōu)點：所處理的數(shù)字信號只有兩種取值(1、0）；電路抗干擾能力強，信息便于長期存儲便于計算機處理、輔助設(shè)計等保密性好。比如，語音信號經(jīng)ADC后，可以先進行加密處理，再進行傳輸，在接收端解密后再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）還原成模擬信號。缺點：只能表示信號的近似值占用頻帶較寬，比如語音通信進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時會帶來量化誤差。P.42024/5/26脈沖信號的技術(shù)指標上升時間tr、下降時間tf、占空比q2024/5/26電子電路模擬電路模擬信號模擬信號數(shù)字電路數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字系統(tǒng)基本框架數(shù)字電路分類組合邏輯電路——基本單元“門”時序邏輯電路——基本單元“觸發(fā)器”門電路能實現(xiàn)邏輯運算的電路稱為門電路（gatecircuits）。每一種門電路的輸入與輸出之間，都有一定的邏輯關(guān)系。邏輯是指“條件”與“結(jié)果”的關(guān)系。輸入信號反映“條件”，輸出反映“結(jié)果”。利用門電路可以組成具有各種邏輯功能的組合邏輯電路。除基本“與”、“或”和“非”門電路之外，常用的門電路還有與非、或非、與或非等門電路。所有門電路都有系列化集成電路產(chǎn)品供選用。2024/5/26觸發(fā)器觸發(fā)器是具有記憶或存儲1位二值信息的一種邏輯電路。它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，可以存儲1位二值代碼或數(shù)碼，觸發(fā)器具有以下兩個特點：1）有兩種能自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，分別表示二進制數(shù)0和1或者二值信息邏輯0和邏輯1；2）在適當觸發(fā)信號作用下，電路可從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)；當觸發(fā)信號消失后，電路能夠保持現(xiàn)有狀態(tài)不變。2024/5/26基本電路元件:晶體三極管場效應(yīng)管集成運算放大器基本模擬電路:

信號放大及運算(信號放大、功率放大）信號處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波）信號發(fā)生（正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、…）2024/5/2625/?#?模擬電路研究的問題基本電路元件門電路

觸發(fā)器基本數(shù)字電路

組合邏輯電路（不具備記憶功能）時序電路（寄存器、計數(shù)器、脈沖發(fā)生器、脈沖整形電路）可編程邏輯器件（PLD）存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器其底層是半導體器件2024/5/2626/?#?數(shù)字電路研究的問題數(shù)字電路特點總結(jié)

電路結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力強數(shù)字運算的可重復(fù)性好可完成數(shù)字運算和邏輯運算、信號存儲等容易采用計算機輔助設(shè)計有可能通過編程改變芯片的邏輯功能——PLD2024/5/261.4數(shù)字電路課程的重要性是一門電類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，這門課程的掌握情況直接關(guān)系到其它專業(yè)課程的學習和科研訓練。是單片機、微型計算機原理的先修課程是走進數(shù)字時代的第一入門課程——大轉(zhuǎn)折性課程是很多院校某些專業(yè)考研課程數(shù)字電路是實踐性很強的一門課程。數(shù)電實驗——是非常非常重要的一個學習環(huán)節(jié)，所以作為單獨的一門課程，不及格要重修實驗。2024/5/26數(shù)字電路課程學時分配課程和實驗是教學計劃中的2門課數(shù)字電子技術(shù)：56

學分：3.5電子技術(shù)實驗2：24

學分：0.75上課及實驗教材：禁止盜版、嚴禁復(fù)印教材2024/5/26課堂教學考核形式平時成績（20％）上課到課率作業(yè)（師生的一種溝通方式）閉卷考試（80％）2024/5/26每個學生都有自己的學習方法，個人建議：抓住重點重視實踐:電子技術(shù)課程的實踐性很強，掌握基本理論知識，訓練設(shè)計、組裝、測試和排查故障等能力。注意培養(yǎng)自學能力:電子技術(shù)是一門迅速發(fā)展的學科，必須靠不斷學習，才能跟上發(fā)展步伐。重視課堂:歡迎舉手討論，班干部多溝通維持紀律按時完成作業(yè)，嚴格按照規(guī)定時間交作業(yè)。課程學習方法2024/5/2631/?#?不論數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜程度如何，規(guī)模大小怎樣，基本內(nèi)容是一樣的。本教材從數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)的數(shù)制和碼制的介紹入手，逐步引領(lǐng)大家向數(shù)字系統(tǒng)的深一層次邁進，掌握以“PLD+MCU”為核心的兩片數(shù)字控制系統(tǒng)。

下堂課程討論作業(yè)：思考題1.1~1.42024/5/26THEEND2024/5/26

模擬與數(shù)字電路比較2024/5/2634/?#?模擬與數(shù)字電路比較2024/5/2635/?#?36模擬與數(shù)字電路比較信號處理方式的比較比較因素模擬方式數(shù)字方式修改設(shè)計的靈活性修改硬件設(shè)計，或調(diào)整硬件參數(shù)元器件少、改變軟件設(shè)置精度元器件精度、老化、電源波動A/D的位數(shù)和計算機字長，算法可靠性和可重復(fù)性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場、大量連線等的干擾和影響大不受這些因素的影響大規(guī)模集成盡管已有一些模擬集成電路，但品種較少、集成度不高、價格較高DSP器件體積小、功能強、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價格比高實時性除開電路引入的延時外，處理是實時的由計算機的處理速度決定→FPGA高頻信號的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號按照奈準則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制2024/5/26/?#?邏輯門電路布爾代數(shù)具有開關(guān)特性的半導體器件組合邏輯電路時序邏輯電路脈沖產(chǎn)生和整形電路可編程邏輯電路ADC、DAC2024/5/2637/?#?EDA技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到PLD芯片，實現(xiàn)方案。1、設(shè)計：在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計設(shè)計方法原理圖設(shè)計HDL語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計等

EDA技術(shù)：ElectronicDesignAutomation

基于PLD的EDA2024/5/2638/?#?2、仿真3、下載4、驗證結(jié)果實驗板下載線2024/5/2639/?#?設(shè)計方法的變化傳統(tǒng)設(shè)計方法

用教材介紹的74系列等數(shù)字通用集成電路來實現(xiàn)系統(tǒng)化分子系統(tǒng)設(shè)計原理圖

調(diào)試焊接元器件制版PCB

在實際使用中還存在一定的局限性，這就是它只適用于電路，而不適用于系統(tǒng)。如果一個數(shù)字系統(tǒng)有多個外部輸入和幾十個、幾百個甚至上千個記憶單元，再用真值表、狀態(tài)表等工具來描述它、分析它、設(shè)計它，顯然是不適當?shù)模?/p>